电路基础教案

《电路基础》教案湖北职业技术学院机电工程学院曾建新二〇一五年一月1绪论一、《电路原理》课程的重要性二、《电路原理》课程的学习方法三、《电路原理》课程讨论的对象电路理论只讨论电路的电气行为，不讨论其热效应、机械效应、化学效应，只预测和解释在装置两端的电压电流，而不涉及装置内部发生的物理现象。四、电路理论的内容1．电路的分析2．网络的综合与设计3．网络故障的诊断五、参考书第一章基尔霍夫定律和电阻元件内容：两个基本概念：参考方向电路模型两类约束关系：定的约束关系电路元件自身特性所确拓扑约束关系电路联接形式所确定的最基本的网络方程法——支路法§1-1电路与电路模型一、电路的定义二、电路的功能（作用）电源，负载，激励电压电流，响应电压电流，激励信号，响应信号。三、电路元件1．实际电路元件2．（理想）电路元件四、电路模型1．电路模型22．集中参数电路模型条件：电路线性尺寸100，—电路周围电磁波的波长能量损耗集中在电阻R中进行电场储能集中在电容C中进行电场储能集中在电感L中进行联接导线不发热，也无电磁场效应（理想导线）§1-2电流与电压的参考方向一、电气量表示符号及其单位电流：i(t)(A.C.)I(D.C.)单位：A（安培）（ampere）电压：u(t)(A.C.)U(D.C.)单位：V（伏特）（volt）功率：p(t)(瞬时功率)P(平均功率)单位：W（瓦特）（watt）能量：W单位：J（焦耳）二、电流及其参考方向1．电流的定义：dtdqti)(2．电流的方向：正电荷运动的方向D．C．ABi=IRRsUs-+Ii(t)t0电流方向是从ABRA．C．~电流是一个代数量，对于工频电i从AB每秒钟变换50次，所以无法确定i的真实方向i(t)RBAR33．电流的参考方向：在分析计算电路时，不管电流的真实方向，而给电流任意指定（假定）一个方向——叫参考方向。求出电流后，若i0表真实方向与参考方向同，若i0表真实方向与参改方向反。注意：①无参考方向，电流的正负无意义。②参考方向一旦选定，中途不得更改。二、电压及其参考方向1．电压的定义：dqdwuABdq单位正电荷由A→B转移过程中所失去或获得的能量，叫AB间的电压。若失去能量，则由A→B是电位降了uAB+-u若获得能量，则由A→B是电位升了uAB-+u由“-”极性→“+”极性是电位升方向。由“+”极性→“-”极性是电位降方向。2．电压的参考极性同理：在分析计算电路时，不管电压的真实极性（方向），而给电压任意指定（假设）极性（方向）——叫参考极性（方向）。计算出u后，若u0，表真实极性与参考极性同若u0，表真实极性与参考极性反注意：①无参考极性（方向），电压的正负无意义。②参考极性（方向）一旦指定，中途不得更改。3．联合参考方向（一致，关联参考方向）指定：沿电流参考方向为电压降低的参考方向。三、功率1．功率的定义：dtdwtp，dtdwtp吸吸出出)()(2．用u,i表示p(t)①u,i参考方向同时：0)(iutp吸（吸）40)(iutp吸（出）0)(iutp出（出）0)(iutp出（吸）②u,i参考方向反时：0)(iutp出（出）0)(iutp出（吸）0)(iutp吸（吸）0)(iutp吸（出）§1-3基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaw)一、名词介绍③①1234567②④⑤1i6②③i7②③i4②③i1②③i2i3i5支路节点:简单节点一般节点广义节点回路、网孔二、基尔霍夫电流定律（KCL）（Kirchhoff’sCurrentLaw）1．内容：教材P5（倒数16,17行）2．解释：①条件：集中参数电路（电路尺寸100）节点②数学表达式：出入ii例：对②节点有321iii所以把KCL应用于节点时应首先指定i的参考方向。3．讨论：①KCL的另一形式：教材P5（倒4、5行）00321出iiii②KCL的物理解释：dtdqdtdq出入是电荷守恒的反映，是电流连续性原理在集中参数电路的表现。③KCL是给网络所加的拓朴约束④KCL也适用于广义节点5例：04326iiii三、基尔霍夫电压定律（KVL）（Kirchhoff’sVoltageLaw）1．内容：教材P7（5~8行）2．解释：①条件（同KCL），回路②数学表达式：0降u③代数和回路参考方向：顺时针绕向或反时针绕向（自定）代数和：当bu参考方向与回路参考方向同时bu当bu参考方向与回路参考方向反时bu如图中：0431uuu所以将KVL应用于回路时，应首先指定bu和回路的参考方向。3．讨论：①KVL的另一形式：421uuu设421uuu均大于0，即升降uu②物理解释：当选定了电位参考点（零电位点，接地点）后，节点电位具有单值性，库仑场的基本性质。③KVL也是给网络所加的拓朴约束。④KVL也适用于假想回路。如：6172uuuuu⑤②§1-4电阻元件一、电阻器bi0au0+-对电流呈现阻力的元件。沿电流流动方向，必然有电压降存在所以为u-i相约束的元件。二、电阻元件u-i平面上的任意一条直线或曲线就定义一个电阻元件。分类：时变、时不变、线性、非线性电阻元件。6三、线性电阻元件（简称“电阻”）1．符号：-+iRu2．定义：u-i线性约束的元件。0（伏安特性）uiiu=常量0R实常数（Ω）欧姆，表对i呈现阻力的大小，叫电阻。01RG实常数（S）西门子，表导电能力的大小，叫电导。3．VCR：①ui参考方向一致：GuiRiu②ui参考方向相反：GuiRiu验证。4．讨论：①)()(tRituu-i相约束，无记忆。与D.C.时同，所以电阻电路与D.C.电路的分析计算式同。②当ui参考方向同时，0)(22RuRiuitp吸当ui参考方向反时，0)(22RuRiuitp吸因0)(tp吸，所以R为耗能元件。③线性电阻为双向性元件（VA特性对称于原点）二极管为非双向性元件。§1-5电容元件一、电容器聚集电荷的部件，q-u相约束的部件，储存电场能的部件，但有能量损耗。7二、电容元件：q-u相约束的元件。三、线性电容元件1．符号（见图1－a）2．定义：q-u线性约束的元件（见图1－b）Cuq常数（单位：F，μF，pF）图1－a图1－b3．电容的电流①恒稳D.C.：I＝0，具有隔直流的作用（见图2）图2图3②变动D.C.(或A.C.)（见图3）S倒向a时，充i与Cu方向同，dtdqi充S倒向b时，放i与Cu方向反，dtdqi放因为位移传导ii，所以电容电流是连续的。4．电压电流关系：设t=0为计时起点①dtduCdtdqiCCC为动态元件，当Ci时，Cu连续变化。tdtiCutdtiCtutCctCC0')(1)0()(1)(C为有记忆的元件8dtduCtiCC)(②tCCCtdtiCutu0)(1)0()(5．电场储能：设Cu、Ci方向同。)()()(21)(21)()(),(0022)(000tWtWtCutCuduCutdtuttWCCCCtutuCCttCCCC吸),()()(21)(002ttWtWtCutWCCC吸C为储能元件§1-6电感元件一、复习1．法拉第电磁感应定律：dtdte)(2．楞次定律：设e与参数方向符合右手螺旋关系，则dtdte)(二、空芯电感线圈设i，e，u参考方向一致，与方向符合右手螺旋关系dtdtetti)()()(自感现象感应电压dtdtetu)()(为i相约束的部件，但有R和C的性质三、电感元件：i相约束的元件四、线性电感元件1．符号：92．定义：i线性约束的元件Li常数（单位：H，mH）3．电压元件的端电压等于感应电压4．电压电流关系电感与电容为对偶元件对偶关系——qC——LCu——LiCi——LudtdiLdtduLLL为动态元件，当Lu，Li连续变①化。tdtuLtitittLLL0)(1)()(0dtdiLtuLL)(②tdtuLtitittLLL0)(1)()(05．磁场储能),()()(21)(002ttWtWtLitWL吸所以电压元件也为动态元件，记忆性元件，储能元件§1-7独立源（激励源）(Source)一、电压源1．符号：+-i(t)us(t)u(t)+-2．定义：具有二端的有源元件)()(tutus（当u(t)us(t)极性同时）与i(t)无关3．讨论：①为二端元件（受控源为多端元件）②输出的电压与外电路无关10)()(tutus（极性同时）③输出的电流由外电路来确定只能在电压源的某一端节点上由KCL来求出i。如：i2i1R1R2+-ivs(t)us(t)+-u(t)21212211)()()()()()()()()(RtuRtuiitiRtutiRtutitutussvssss增加支路或减少支路，)(tivs均要变，但)()(tutus不变。所以vsi可以为任意值，为理想电压源。④输出功率对负载而言：)(),(tituvs方向一致对电源而言：)(),(tituvs方向相反所以，)()(tituppvssvs出负吸⑤当0)(tus（电压源停止作用时，其电压要置零）N+-ivs(t)us(t)=0+-u(t)=0BAN+-ivs(t)u(t)=0BA0iu当0)(tus时，电压源相当于一根短接线二、电流源（与电压源为对偶元件）1．符号：+-i(t)uis(t)is(t)2．定义：具有二端的有源元件负载+-ivs(t)us(t)+-u(t)11)()(titis与)(tu无关3．讨论：①为二端元件②输出电流与外电路无关)()(titis()(),(titis参考方向同时)③输出的电压由外电路来确定。只能在电流源所在回路由KVL来求。同理，isu可为任意值，所以为理想电流源。④当0si时（电流源停止作用时，其电激流要置零）N+-i(t)=0is(t)=0uis(t)=0BAN+-i(t)=0u(t)BA0iu当0)(tis时，电流源相当于断路§1-8受控源一、受控源1．受控源：有两条支路，为双口元件。控制支路（入口）控制量受控支路（出口）受控量电压控电源u1(i1=0)电流控电源i1(u1=0)u2受控电压源i2受控电流源VCVSCCCSCCVSVCCS二、受控源分类1．VCVS12i1=0+u1--u2i2+-u1R=G=0(断)电压源（不独立，受u1控制）i1=0u2=u2—转移电压比电压放大系数+2．VCCSi1=0+u1--u2i2gmu1R=G=0(断)电流源（不独立，受u1控制）i1=0i2=gmu1gm—转移电导+3．CCCSi1=0+u1=0--u2i2i1R=0G=(短)电流源（不独立，受i1控制）u1=0i2=i1—转移电流比电流放大系数+4．CCVSi1+u1=0--u2i2rmi1电压源（不独立，受i1控制）u1=0u2=rmi1rm—转移电阻+-+三、讨论1．为电阻性元件2．,gm,,rm为常量，则为线性受控源。,gm,,rm不为常量，则为非线性受控源。3．电压控电源的控制支路是断开的（i1=0）电流控电源的控制支路是短接的（u1=0）4．受控源中的四个端钮还要与外电路中的其它元件相联，因此在电路模型中，13受控源定义中的两条支路有时不明显，应习惯。5．其受控支：在分析电路时，视为独立源来处理，但要先求出控制量后才能求其电压电流。其控制支：在电路进行等效变换时，不能被变换掉了。第二章电阻电路的分析内容：网络方程法：支路电流法、节点电压法、回路电流法。电路的等效变换：Y-变换、有伴电源的等效变换、电源的转移等线性电路定理：替代定理、代文宁定理、诺顿定理、特勒根定理、互易定理。§2-1有伴电源的等效变换（电源模型的等效变换）一、有伴电源